高压电力电缆金属护套下热阻特性分析.doc

高压电力电缆金属护套下热阻特性分析赵健康1王晓兵2樊友兵1牛海清3（1国网武汉高压研究院电缆技术研究所 湖北 武汉 ；2南方电网广东电力局广州供电局 广东 广州 ；3华南理工大学电力学院 广东 广州 ）摘要IEC 60287标准是电力电缆线路温度监测及载流量计算的理论基础与依据，为实现对IEC 60287标准在线路载流量计算与电缆线路温度在线监测上的准确运用，对某国产电缆进行了载流量温升试验。通过试验研究了单芯高压电力电缆各层的温度分布，并根据温度分布按照IEC 60287的热传导模型推算出了单芯高压电力电缆各层的热阻值。利用IEC 60287 标准计算了单芯高压电力电缆的热阻参数。比较理论计算值与实际推算值，发现导体与金属铝套之间热阻的理论值与试验值之间存在有56.8%的差异。研究结果发现，阻水带以及金属护套与电缆线芯之间存在的气隙是产生这种差异的主要原因。针对电力电缆的实际结构，在IEC 60287标准基础上提出了一种改进的计算方法用以计算电缆导体与金属铝套之间的热阻，该方法将电缆导体与铝套之间部分分为热阻值不同的两层进行计算，并根据实际温升试验得到的热阻值提出了电缆绕包带层热阻系数的修正值为 ，远高于标准规定的 。关键词电力电缆热阻系数温度分布修正方法0引言近年来，由于XLPE超高压电力电缆的大量使用，XLPE电力电缆在城市中已经成为输配电网架的主要组成部分，对于电缆的载流能力，也有增加的要求与趋势。通常在线路设计与运行时，通过IEC 60287标准来确定电缆的载流能力。IEC 60287系列标准作为目前世界上通用的电缆载流量技术标准，在国内也是作为载流量计算的准则，同时也是作为电缆线路运行时的规则之一。目前在国内，他不仅作为电缆线路载流能力的决定性标准，同时也是电缆线路稳态温升下电缆结构参数与电缆线路的理论基础。在实际的电缆线路温度在线监测中，也是作为基础的理论依据在进行运用。但是国内对电力电缆载流量研究刚刚开始，对于IEC 60287标准的认识还停留在引进阶段，对于IEC标准的认识。国内目前已经有大量文献1-6对电缆载流量进行了计算，这些计算都是基于直接对IEC 60287标准的应用，对于电缆线路所处的外部环境参数结合实际参数进行了修正，但是对电缆实际结构参数对电缆载流量的影响并未充分研究。这样简单直接引用IEC 60287标准，未考虑国内外电缆的结构差异对载流量的影响，同时直接应用IEC 60287进行载流能力的确定或者进行温度分析，将会造成实际结果的不一致。因此本文针对某国内YJLW03 64/110kV电力电缆，利用IEC 60287标准进行了分析与计算，并在分析与计算结果上进行了修正。1IEC60287标准导体温升的计算方法单芯交流XLPE电力电缆高于环境温度的温升表达为： (1)式中，：高于环境温度的导体温升；：导体电流(A)；：绝缘介质损耗(W/m)；n：电缆芯数；：金属套损耗系数；：铠装损耗系数；：导体与金属护套之间的热阻()；：金属套于凯装之间的垫层热阻()；：外护层热阻()；：环境媒质热阻()；针对110kV高压单芯电力电缆，电缆在金属套外无铠装，所以，；同时在正常运行以及在进行不施加电压的载流量试验时，可以不考虑电缆的介质损耗，；同时在计算以及试验过程中，电缆采用单端接地，故取电缆环流损耗为零，同时电缆金属套涡流损耗系数为零，故可以取。因此式(1)电缆导体高于环境温度的温升表达式可变化为： （2）1.1EC 60287标准对电缆导体与金属护套之间热阻的计算对于单芯电缆，导体与金属护套之间的热阻由以下公式给出：式中， ：绝缘材料热阻系数，。：导体直径，mm。：导体和金属套之间的绝缘厚度，mm。所计算电缆的型号为YJLW03 64/110 1×630， 实测其结构参数见表1。表1 电缆结构参数导体导体材料导体截面(mm2)导体直径(mm)半导电层平均厚度(mm)半导层热阻系数(Km/W)Cu63030.31.33.5绝缘绝缘平均厚度(mm)绝缘层热阻系数(mm)绝缘屏蔽层平均厚度mm)绝缘屏蔽层外径(mm)16.53.51.068.0阻水带阻水带材料(mm)阻水带厚度(mm)阻水带热阻系数(Km/W)缆芯外径(mm)半导电缓冲阻水层2×1.56.073.0皱纹金属套材料金属套内径(mm)金属套外径(mm)金属套厚度(mm)Al74.588.52.0外护层材料平均厚度(mm)最小厚度(mm)热阻系数(Km/W)电缆外径PE5.53.73.599.1按照IEC 60287标准计算得。2实际结果推算值2.1缆各部分热阻值的试验推算方法由公式(2)可以得到电缆的温升表达式： (2)：导体损耗，；：导体与金属套之间的温升，；：铠装与电缆表面之间的温升，；：电缆表面与周围环境之间的温升，；根据上面的表达式，可以推算得到电缆各部分的热阻值，计算公式见式(4)。在与计算电缆相同的电缆上进行了温升试验。热电偶的敷设方式按照IEC 60840:2004标准进行。导体热电偶采用探针式，直径为3mm。然后分别在电缆绝缘屏蔽层表面、铝套表面、电缆表面敷设测温热电偶。所有的测温热电偶为标准的T型热电偶。温升试验的测量结果见表3。表3不同电流大小时电缆各层温度分布试验结果电流导体绝缘屏蔽铝护套电缆表面环境温度100064.250.737.733.723.2110064.747.730.425.714.0125084.760.336.731.315.0注：表中除电流单位为A外，其他单位一律为。根据温度分布实测结果，推算电缆各层的热阻值见表4及图2。表4根据IEC 60287标准推算电缆各层热阻值电流绝缘层阻水层外护层环境热阻10000.40770.39230.12070.316811000.42340.43090.11710.291412500.44480.43030.09850.2972平均值0.42530.41780.1121-由表4中可以得出，电缆铝套与电缆导体之间部分的热阻 。3结果分析与讨论根据IEC 60287标准计算得到的热阻值与根据试验结果推算得到的热阻值，相差为 。对电缆导体与铝套间的材料及其结构进行分析。通常国产的110 kV及以上电压等级的XLPE电缆为单芯电缆，其结构采用导体导体屏蔽绝缘层绝缘屏蔽阻水绕包带铝套外护层的结构。一个典型的110 kV单芯电缆的截面如图2所示。为方便进行结构分析，将电缆导体与铝套之间分为两层，一层为导体屏蔽、绝缘层和绝缘屏蔽，称之为绝缘层，另外一层为由绝缘屏蔽到金属铝套之间部分，这部分主要有阻水绕包带以及密封在其中的静止空气和空气隙组成，称之为绕包带层。按照IEC 60287标准规定，通常将导体与金属套之间的所有材料合并到绝缘层进行计算。然而，由于电缆绝缘层与电缆绕包带材料热阻系数不同（见表1），同时由于电缆加工工艺的影响，使得电缆金属套与电缆阻水带之间存在有空气间隙，这将会影响到电缆的散热性能，从而影响到内部热阻T1。试验结果与计算结果间距大的差异也表明近似处理的具有很大的误差。因此可以考虑将导体与金属套之间的部分按照前面的分层方法分为两层进行分别计算。图2电缆典型结构剖面图式中， ：绝缘材料热系数 ：导体直径(mm) ： 包含导体屏蔽与绝缘屏蔽的绝缘厚度(mm)式中， ：包含空气隙的绕包带材料热系数 ：绝缘屏蔽外径(mm) ：绝缘屏蔽与金属套之间的厚度(mm) 皱纹铝套时， 按照式(5)(7)的计算方法，分别得到的结果为：，计算时，取，。将按照IEC 60287标准对的计算结果与推算结果以及本文修正算法的结果见图1。图1电缆导体与铝套间热阻推算值与计算值()从图1可以看出，利用分层的方式得出的导体与铝套之间的热阻值与试验得到的结果仍然存在有较大的差异。按照IEC 60287标准计算得到的热阻值与根据温升试验结果实际推算得到的热阻值相差为，为推算结果的，按照分层修正算法得到的计算结果与推算值相差为，为推算结果的。按照IEC 60287标准规定，绕包带热阻系数通常取为，实际上，由于绕包阻水带中存在有大量的静止气隙，而静止空气的导热系数1约为 ，这样形成了一个结构类似于被热阻系数较大的将会增大绕包带层的热阻系数。同时绕包带层的紧密程度决定了气隙含量的大小，也将会影响到绕包带层的热阻系数。本文中计算的典型电缆的绕包带热阻系数实测为 。同时，在绕包带与电缆铝套之间，存在有间隙约3mm的气隙层。该夹层空气隙的热量传递过程为纯导热2。这样由于阻水绕包带以及静止气隙的影响，将会使得金属套与电缆导体之间的热阻增大。表3的测温结果与表4中的热阻推算结果就反映了这一结论。由表4中，可以看出，电缆绝缘部分的热阻值与绝缘屏蔽表面与电缆铝套间的热阻值相当。取平均热阻系数为，按照式6的计算，得到。这样的计算结果与根据实际测量结果推算得到的热阻值相吻合。图3电缆导体与铝套间各层热阻值()图3反映了本文中对电缆导体与铝套间热阻利用不同的计算方法与试验推算的方法得到的结果。可以发现，利用IEC 60287标准计算得到的热阻值，相对于通过试验推算得到的热阻值明显偏小。当通过对算法进行细分并对含有气隙的绕包带层的热阻系数进行修正后，得到的计算结果与实际测量结果基本一致，此时绕包带层的修正热阻系数值约为20。4结论a）本文对IEC 60287标准对110 kV高压单芯电力电缆导体与铝套间热阻的计算方式与修正方式进行了讨论与实际验证，发现IEC 60287标准对金属套与导体之间的热阻计算结果偏小，其原因在于IEC 60287标准没有对电缆导体与铝套间的具有不同热阻系数的材料进行区分，而是统一采用绝缘材料的热阻系数进行计算。同时该方法对铝套与导体之间存在的气隙对电缆散热的影响没有充分考虑，导致计算热阻值偏小。b）本文认为对电缆导体与铝套间的热阻应该采用绝缘层与绕包带分层计算的方式，绕包带层分为含有大量中间存在气隙考虑到静止空气的纯导热效应，应该对绕包带层的热阻系数进行修正。c）根据实际温升试验结果，绕包带层的热阻系数修正值为20。参考文献1牛海清,王晓兵,张尧. 基于迭代法的单芯电缆载流量的研究J,高电压技术,2006, 32(11):41-44.2樊友兵,张丽,蒙绍新等. 中低压交联电缆集群敷设载流量的计算J. 高电压技术,2005, 31( 10):59-60.3 彭超,赵健康,苗付贵. 分布式光纤测温技术在线监测电缆温度J. 高电压技术,2006,32(8):43-454 刘毅刚,罗俊华. 电缆导体温度实时计算的数学方法J. 高电压技术,2005,31(5):52-54.5 罗俊华,周作春,李华春等. 电力电缆线路运行温度在线检测技术应用研究J. 高电压技术,2007, 33(1):169-172.6 刘念雄,秦佑国. 建筑热环境M. 北京:清华大学出版社，2005，第1版，p2577 杨氏铭,陶文铨. 传热学M, 北京:高等教育出版社, 1998,第3 版.8 IEC 60287-1-1Calculation of current rating of electric cables Part 1：current rating equations(100 load factor)and calculation of losses section120069 IEC 60287-2-1, Calculation of current rating of electric cables Part 2：thermal resistance section 1：calculation of thermal resistances，200610 C.C. Hwang , J. J. Chang, H.Y. Chen. Calculation of ampacities for cables in trays using finite elementsJ, Electric Power Systems Research, 2000(54): 7581.11 杨小静. 交联电缆额定载流量的计算J, 高电压技术，2001，27(104):11-12.12 Anders, G.J.   Napieralski, A.   Kulesza, Z. Calculation of the internal thermal resistance and ampacity of 3-core screened cables with fillersJ, IEEE Transactions on Power Delivery, 1999，14(3): 729-734.13 梁永春,柴进爱,李彦明等. 基于FEM的直埋电缆载流量与外部环境关系的计算J,电工电能新技术,2007,26(4):10-13.14 赵健康, 姜芸, 杨黎明. 中低压交联电缆密集敷设载流量试验研究J. 高电压技术,2005,31(10):55-58作者简介赵健康，1963-，男，高级工程师，国网电力科学研究院电缆研究所副所长，长期从事电缆线路运行技术以及电力电缆检测技术研究工作，电话：，E-mail: zhaojk樊友兵，1979-，男，工程师，从事电力电缆线路运行技术研究工作，电话：；E-mail: fanyb王晓兵，1970-，男，硕士，高工，从事高压设备及高压输电线路技术管理工作。电话：(020)，E-mail：wxhtyf牛海清，1969-，女，博士生，讲师，现从事高压电缆线路及高压电气设备相关问题的研究。E-mail：niuhq